本發(fā)明涉及電子鼻系統(tǒng)、標定測試系統(tǒng)和氣體傳感器領域，尤其涉及電子鼻的標定測試系統(tǒng)。

背景技術：

目前而言，氣體傳感器在各行各業(yè)的應用已經相當廣泛。將單一氣體傳感器用于氣體檢測，往往易受混合氣體干擾而出現(xiàn)漏報、誤報等問題。利用多個氣體傳感器，組成氣體傳感器陣列，并結合模式識別技術對混合氣體/氣味分析，組成人工嗅覺系統(tǒng)，即電子鼻系統(tǒng)，用于混合氣體的檢測和分析有著顯著的效果。因而電子鼻系統(tǒng)正被廣泛推廣應用于生產生活中，尤其在醫(yī)療診斷和空氣監(jiān)測中，取得卓越的成效，參見A D'Amico，NC Di，C Falconi，E Martinelli.著：Detection and identification of cancers by the electronic nose(電子鼻對癌癥的檢測與識別).Expert Opinion on Medical Diagnostics(醫(yī)學診斷專家的意見)，2012,6(3):175-185(11)。目前絕大多數(shù)的電子鼻系統(tǒng)，其設計基本模型都是通過信號采集，信號預處理，模式識別等流程，最終得到混合氣體的成分和含量。不同的電子鼻系統(tǒng)，由于采用不同的傳感器陣列、信號預處理方法、特征提取和模式識別算法，其識別準確性、識別速度等參數(shù)會存在明顯差異。而識別速度慢，識別準確性低的電子鼻系統(tǒng)，在使用過程中也會存在局限性。隨著對電子鼻系統(tǒng)研究的深入、廣泛推廣和應用，很多領域都逐漸開始引入電子鼻系統(tǒng)，用于生產生活中的氣體檢測。這就要求選用的電子鼻系統(tǒng)，其識別氣體的精度、響應時間等參數(shù)，都應具備在該領域中使用的說服力，上述參數(shù)也是生產生活中選用電子鼻的標準。因此，需要針對應用環(huán)境，實現(xiàn)對電子鼻系統(tǒng)性的測試，而目前尚未發(fā)現(xiàn)關于電子鼻標定測試系統(tǒng)的比較成熟的文獻報告。電子鼻系統(tǒng)的信號采集部分一般由氣體傳感器陣列構成。目前針對氣體傳感器的測試系統(tǒng)的開發(fā)較為成熟，已有基于動態(tài)和靜態(tài)的多種氣體傳感器測試系統(tǒng)的相關報道。參見喬記平,呂玉祥,胡海林(Qiao Jiping，Lv Yuxiang，Hu Hailin)：基于LabVIEW的電化學氣體傳感器特性測試系統(tǒng)的設計與研究(Design and Study on Electrochemical Gas Sensor Characteristics Test System Based on LabVIEW).儀表技術與傳感器(Instrument Technique and Sensor),2013,12:90-92,96。但是，這些測試系統(tǒng)主要針對氣敏原件，測試元件對給定氣體的靈敏度、響應時間等參數(shù)，并不能給出對混合氣體或氣味的判決結果，因而無法用于電子鼻系統(tǒng)的標定和測試。因此，設計一種根據(jù)應用領域的測評需求而展開的電子鼻標定測試系統(tǒng)具有重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了適應不同領域對電子鼻系統(tǒng)的需求，設計一種電子鼻標定測試系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)對待測電子鼻系統(tǒng)性能的標定與測試。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案：

一種電子鼻標定測試系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括與待測電子鼻系統(tǒng)進氣端連接的用于產生混合氣體或氣味的配氣系統(tǒng)、與待測電子鼻系統(tǒng)尾氣端連接的尾氣檢測分析系統(tǒng)、與尾氣檢測分析系統(tǒng)的響應結果輸出端連接的氣味分析軟件測試模塊，配氣系統(tǒng)的設置信息、待測電子鼻系統(tǒng)的響應結果也輸出至氣味分析軟件測試模塊。

具體的，尾氣檢測分析系統(tǒng)包括設置在待測電子鼻系統(tǒng)尾氣端的標準氣體傳感器陣列以及數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊，所述標準氣體傳感器陣列的響應信號數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊，數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊輸出響應結果至氣味分析軟件測試模塊。

優(yōu)選的，所述尾氣檢測分析系統(tǒng)還包括位于標準氣體傳感器陣列之后的尾氣采集裝置以及用于對尾氣進行氣相色譜和/或質譜分析的裝置。

優(yōu)選的，尾氣檢測分析系統(tǒng)的標準氣體傳感器陣列與尾氣采集裝置之間還安裝有氣體質量流量監(jiān)測器，氣體質量流量監(jiān)測器輸出的流量值也發(fā)送至氣味分析軟件測試模塊。

具體的，配氣系統(tǒng)包括安裝在待測電子鼻系統(tǒng)進氣管路上的氣體質量流量控制器。

根據(jù)權利要求5所述的電子鼻標定測試系統(tǒng)，其特征在于：所述配氣系統(tǒng)還包括與氣體質量流量控制器連接的配氣系統(tǒng)軟件，所述配氣系統(tǒng)軟件通過RS-232與氣體質量流量控制器進行數(shù)據(jù)傳遞。

優(yōu)選的，所述待測電子鼻系統(tǒng)的傳感器陣列的響應信號數(shù)據(jù)輸出端還連接至尾氣檢測分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊。

具體的，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊包括信號調理電路、數(shù)據(jù)采集卡以及數(shù)據(jù)分析模塊，所述待測電子鼻系統(tǒng)的響應信號數(shù)據(jù)輸出端和標準氣體傳感器陣列的響應信號數(shù)據(jù)輸出端分別依次通過信號調理電路、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)分析模塊與氣味分析軟件測試模塊連接。

本發(fā)明還提供一種電子鼻標定測試方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

1】配氣，并在待測電子鼻系統(tǒng)尾氣端設置標準氣體傳感器陣列；

2】將步驟1】配制好的氣體或氣味輸送至待測電子鼻系統(tǒng)的進氣端，使氣體或氣味依次經過待測電子鼻系統(tǒng)和標準氣體傳感器陣列；

3】采集待測電子鼻系統(tǒng)的氣味分析軟件的響應結果和標準氣體傳感器陣列的響應結果；

4】將步驟3】的各個結果和步驟1】的配氣設置信息進行對比評測。

優(yōu)選的，步驟3】還包括收集待測電子鼻系統(tǒng)尾氣端的尾氣，通過氣相色譜和/或質譜分析出氣體成分及濃度的步驟；和/或測定待測電子鼻系統(tǒng)尾氣端尾氣總流量的步驟；和/或采集待測電子鼻系統(tǒng)中的傳感器陣列的響應結果的步驟。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明針對電子鼻系統(tǒng)，提供較為系統(tǒng)性的電子鼻標定測試系統(tǒng)，實現(xiàn)自動配氣和分析，測試過程的安全上得到較高的控制和監(jiān)測，對電子鼻系統(tǒng)的氣味分析軟件的識別能力甚至電子鼻系統(tǒng)的傳感器陣列的響應信號，都做出分析對照，實現(xiàn)對電子鼻系統(tǒng)的有效標定和測評。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)硬件結構框圖；

圖2為本發(fā)明的原理結構框圖；

圖3為本發(fā)明的數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊的流程圖；

圖4為本發(fā)明的標定測試系統(tǒng)的測試流程。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步描述。

如圖1和2，一種電子鼻標定測試系統(tǒng)，包括與待測電子鼻系統(tǒng)進氣端連接的用于產生混合氣體或氣味的配氣系統(tǒng)、與待測電子鼻系統(tǒng)尾氣端連接的用于提供標定評測的標準數(shù)據(jù)的尾氣檢測分析系統(tǒng)、與尾氣檢測分析系統(tǒng)的響應結果輸出端連接的氣味分析軟件測試模塊，配氣系統(tǒng)的設置信息、待測電子鼻系統(tǒng)的響應結果輸出端也連接至氣味分析軟件測試模塊。

具體的，所述配氣系統(tǒng)包括安裝在待測電子鼻系統(tǒng)進氣管路上的氣體質量流量控制器MFC，所述氣體質量流量控制器采用美國Alicat公司生產的MFC(氣體質量流量控制器)，提供一百余種氣體配氣選擇，以提高配氣精度，每種氣體對應一個儲氣瓶，設置多個儲氣瓶，每個儲氣瓶通過支氣管路連接到待測電子鼻系統(tǒng)的進氣端，每條支氣管路通過一個MFC控制其氣流量，相同的時間內，通過配送不同流量的氣體，以達到控制混合氣體的總流量和混合氣體濃度配比的目的。在支氣路上設有閥門，控制測試前后的氣體的開關。

優(yōu)選的，所述配氣系統(tǒng)還包括與氣體質量流量控制器連接的配氣系統(tǒng)軟件，配氣系統(tǒng)軟件以LabVIEW為開發(fā)平臺設計。通過RS-232完成PC端配氣系統(tǒng)軟件與MFC的數(shù)據(jù)傳遞。配氣前，預先在數(shù)據(jù)表中設計配氣參數(shù)，包括氣體的濃度、氣體總流量、總測試時間等信息。開啟配氣按鈕后，根據(jù)配氣數(shù)據(jù)表，配氣系統(tǒng)軟件自動計算每臺MFC所需的控制電壓，并自動向MFC發(fā)送控制命令，返回每臺MFC的氣體流量實測值并顯示。混合后的氣體/氣味依次通過待測電子鼻系統(tǒng)和尾氣檢測分析系統(tǒng)中。

混合氣體濃度與MFC控制電壓計算采用如下公式計算得到：

其中V_x1、V_x2、V_x3、V_x4為四臺MFC控制電壓，V_x1MFC、V_x2MFC、V_x3MFC、V_x4MFC為MFC的最大控制電壓值，選用的Alicat公司MFC的模擬電壓最大值為5V，F(xiàn)low_x1MFC、Flow_x2MFC、Flow_x3MFC、Flow_x4MFC為四臺MFC的氣流量最大值，C_x1為氣體x1設定的濃度值。

具體的，所述尾氣檢測分析系統(tǒng)包括設置在待測電子鼻系統(tǒng)尾氣端的標準氣體傳感器陣列以及數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊，所述標準氣體傳感器陣列的響應信號數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊，數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊輸出響應結果至氣味分析軟件測試模塊。更具體的，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊包括信號調理電路、數(shù)據(jù)采集卡以及數(shù)據(jù)分析模塊，所述標準氣體傳感器陣列的響應信號數(shù)據(jù)輸出端分別依次通過信號調理電路、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)分析模塊與氣味分析軟件測試模塊連接。數(shù)據(jù)采集卡選用美國NI公司開發(fā)的多功能數(shù)據(jù)采集卡USB-6341，能夠有效與LabVIEW結合，具有16路模擬輸入，2路模擬輸出，通訊接口為USB接口，與PC連接非常便捷。數(shù)據(jù)分析模塊的主要功能為數(shù)據(jù)實時顯示分析，數(shù)據(jù)分析模塊通過基于LabVIEW開發(fā)平臺設計的標定測試系統(tǒng)軟件實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集卡采集獲得的所有數(shù)據(jù)都可實時顯示，選擇保存，并可有選擇性地單獨在圖表中顯示某一條采集通道的響應數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)將保存在LabVIEW特有的TDMS文件中，可在標定測試系統(tǒng)軟件的界面或Excel文件中查看數(shù)據(jù)。通過待測電子鼻系統(tǒng)的樣氣送至尾氣檢測分析系統(tǒng)處，可獲得相同條件下的標準氣體傳感器陣列的響應信號，通過上述數(shù)據(jù)采集方式采集存儲，為氣味分析軟件測試模塊提供標準數(shù)據(jù)。

待測電子鼻系統(tǒng)自帶氣味分析軟件，用于混合氣體的成分分析。待測電子鼻系統(tǒng)在混合氣體環(huán)境中得到響應信號后，經過自帶氣味分析軟件判別獲得響應結果。這個響應結果與配氣系統(tǒng)的設置信息、尾氣檢測分析系統(tǒng)的響應結果三者共同進行分析評測獲知待測系統(tǒng)的性能。

本系統(tǒng)還可對待測電子鼻系統(tǒng)中的傳感器器件的性能進行評測，對此，將所述待測電子鼻系統(tǒng)的傳感器陣列的響應信號數(shù)據(jù)直接采集至數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊的信號調理電路及數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端，采集待測電子鼻系統(tǒng)的傳感器陣列的響應信號數(shù)據(jù)并進行評測。至此，氣味分析軟件測試模塊內將配氣系統(tǒng)的設置信息、待測電子鼻系統(tǒng)的響應結果、待測電子鼻系統(tǒng)的傳感器陣列的響應信號數(shù)據(jù)、尾氣檢測分析系統(tǒng)的響應結果，四者共同在氣味分析軟件測試模塊中相互監(jiān)督對照，分析評測，使得測評結果更具備說服力。

優(yōu)選的，所述尾氣檢測分析系統(tǒng)還包括位于標準氣體傳感器陣列之后的尾氣采集裝置以及用于對尾氣進行氣相色譜和/或質譜分析的裝置(前后方位的定義與氣體經過的先后順序相同)。將尾氣回收采集，作為樣氣通過氣相色譜質譜聯(lián)合分析(GC/MS分析)，得到尾氣的成分分析結果，該結果作為氣味分析軟件測試模塊的另一標準參照。

優(yōu)選的，所述尾氣檢測分析系統(tǒng)的標準氣體傳感器陣列與尾氣采集裝置之間還安裝有氣體質量流量監(jiān)測器，用于實時監(jiān)測混合氣體總流量是否符合預先設定的值，確保測試過程安全，氣體質量流量監(jiān)測器輸出的流量值也發(fā)送至氣味分析軟件測試模塊，氣體質量流量監(jiān)測器也可以采用美國Alicat公司生產的MFC。

所述的氣味分析軟件測試模塊用于對待測電子鼻系統(tǒng)的氣味分析軟件性能及其傳感器器件的性能做出標定。待測電子鼻系統(tǒng)的氣味分析軟件的性能通過氣體/氣味響應靈敏度、識別正確率、濃度誤差、識別速度、識別氣體種類以及濃度范圍等參數(shù)進行評定。傳感器器件的性能包括氣體/氣味響應靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性、響應時間、恢復時間、工作溫度影響等參數(shù)。所有上述參數(shù)，均通過氣味分析軟件測試模塊，綜合分析配氣系統(tǒng)的設置信息、尾氣檢測分析系統(tǒng)的響應結果、待測電子鼻系統(tǒng)返回的響應結果獲得。該氣味分析軟件測試模塊繪制待測電子鼻系統(tǒng)的響應結果曲線、待測電子鼻系統(tǒng)的傳感器陣列的響應信號數(shù)據(jù)曲線、標準氣體傳感器陣列的響應信號數(shù)據(jù)曲線、尾氣流量監(jiān)測曲線以及GC/MS分析結果，通過數(shù)據(jù)挖掘和評測算法詳細對比和分析這些數(shù)據(jù)并獲得所需參數(shù)，進而運用數(shù)據(jù)分析技術對待測電子鼻系統(tǒng)的性能做出評測。評測過程綜合多個信息，這些信息之間相互監(jiān)督對照，既確保了評測結果的說服力，又可根據(jù)待測電子鼻系統(tǒng)傳感器陣列的響應給出改善的建議。

待測電子鼻系統(tǒng)的識別正確率可用如下一種簡單的公式計算得到：

其中Cx1n為第n次測量待測電子鼻系統(tǒng)得到的氣體x1的濃度，為第n次測量尾氣監(jiān)測系統(tǒng)綜合分析函數(shù)獲得的氣體x1的濃度，P1為待測電子鼻對氣體x1的識別正確率，N為總測量次數(shù)。

本實施例還介紹一種電子鼻標定測試方法，包括以下步驟：

1】配氣，并在待測電子鼻系統(tǒng)尾氣端設置標準氣體傳感器陣列；

2】將步驟1】配制好的氣體或氣味輸送至待測電子鼻系統(tǒng)的進氣端；

3】采集待測電子鼻系統(tǒng)的氣味分析軟件的響應結果和標準氣體傳感器陣列的響應結果；進一步的，收集待測電子鼻系統(tǒng)尾氣端的尾氣，通過氣相色譜和/或質譜分析出氣體成分及濃度；更進一步的，采集待測電子鼻系統(tǒng)中的傳感器陣列的響應結果；更進一步的，測定待測電子鼻系統(tǒng)尾氣端尾氣總流量；

4】將步驟3】的各個結果和步驟1】的配氣設置信息進行對比評測。

如圖3所示為本發(fā)明的數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊的流程圖。開啟程序后，在標定測試系統(tǒng)軟件界面中，有對應的功能按鈕可自由控制開關，包括對數(shù)據(jù)的保存、圖表中顯示某單獨通道的曲線、數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)初始化等。根據(jù)需求，完成各功能的初始化設置后，打開測試按鈕，自動完成對MFC的控制。通過USB-6341的模擬輸入端采集傳感器陣列的響應信號，模擬輸出端控制傳感器陣列的加熱電壓，提供單電壓及正弦波、方波、鋸齒波、三角波的波形函數(shù)的加熱電壓以供選擇。數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊中，提供查看歷史保存數(shù)據(jù)的功能，顯示數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)波形。模擬輸入端采集的信號，會在標定測試系統(tǒng)軟件中實時顯示，用不同顏色的波形在同一張圖中實時顯示多路通道的響應信號，同時在下方同時顯示每路通道采集的具體數(shù)值。右側提供根據(jù)需求的選擇滑鈕，以顯示某單獨通道的數(shù)據(jù)曲線，以更加直觀顯示使用者感興趣的某通道數(shù)據(jù)，當使用者選擇圖表中顯示某一通道數(shù)據(jù)時，位于下方的數(shù)值數(shù)組，依舊能夠保持顯示全部通道的數(shù)值信息，以增強人機交互性。數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊中存在保存按鈕，未打開保存按鈕時(按鈕未處于點亮狀態(tài))，采集的數(shù)據(jù)將不給予保存，打開按鈕，在圖表中顯示的數(shù)據(jù)，將會保存在設定的TDMS文件中，TDMS為LabVIEW專用文件格式，可在Excel中查看具體保存數(shù)據(jù)，也可用上述所述的查看歷史數(shù)據(jù)的功能按鈕查看(使用功能按鈕查看，可同時獲得數(shù)據(jù)對應波形，更加直觀化)，除響應信號數(shù)據(jù)外，TDMS文件中還保存對應的數(shù)據(jù)采集環(huán)境，包括通道數(shù)、通道標識、測試時間等信息。

如圖4所示為標定測試系統(tǒng)軟件的流程圖。本發(fā)明以LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺為基礎完成標定測試系統(tǒng)軟件的設計和實現(xiàn)。測試前，在數(shù)據(jù)表中預先設定配氣過程的氣體濃度比、氣體總流量和各階段通氣時間等信息，開啟測試軟件中的配氣按鈕，配氣系統(tǒng)軟件自動讀取數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)并自動控制多臺MFC，實現(xiàn)混合氣體的配置，為待測電子鼻系統(tǒng)提供混合氣體。配置完成的混合氣體通過待測電子鼻系統(tǒng)，待測電子鼻系統(tǒng)分析出結果，采集待測電子鼻系統(tǒng)的傳感器陣列產生響應信號數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)分析模塊的軟件界面中實時顯示。在待測電子鼻系統(tǒng)的尾氣處，設置尾氣檢測分析系統(tǒng)，將尾氣監(jiān)測分析結果回收到數(shù)據(jù)分析模塊的軟件界面中，并和采集的電子鼻系統(tǒng)的響應結果同屏顯示，做對照分析。除了要對標準氣體傳感器在尾氣下的響應信號采集外，還要對尾氣收集作為分析樣氣，對收集的樣氣采用GC/MS分析，對分析出的氣體成份同樣回收到氣味分析軟件測試模塊，作為對照用的標準數(shù)據(jù)。對待測電子鼻系統(tǒng)的氣味分析軟件的識別速度、識別準確率等參數(shù)及待測電子鼻系統(tǒng)的傳感器器件的性能做出評測，完成對電子鼻系統(tǒng)的測評。